Wintersmog in Peking und seine Bildungsmechanismen Beijing

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Jahrbuch 2015/2016 | Cheng, Yafang; Su, Hang; Pöschl, Ulrich | W intersmog in Peking und seine
Bildungsmechanismen
Wintersmog in Peking und seine Bildungsmechanismen
Beijing winter haze and its formation mechanism
Cheng, Yafang; Su, Hang; Pöschl, Ulrich
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Extreme Smogereignisse ließen Peking im W inter 2013 unter einer Dunstglocke verschw inden und führten zu
schw erw iegenden Umw elt- und Gesundheitsproblemen. W issenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie
konnten nachw eisen, dass die Luftqualität von Peking durch komplexe Interaktionen zw ischen Emissionen,
regionalem atmosphärischen Transport und Atmosphärenchemie beeinflusst w ird.
Summary
Extreme haze episodes shrouded Beijing during the w inter of 2013, causing major environmental and health
problems. We show that the severe w inter haze w as driven by stable synoptic meteorological conditions
rather than by an abrupt change of emissions; the fast build-up of PM2.5 in Beijing w as mainly controlled by
the atmospheric transport; and the production of secondary aerosols is enhanced during the haze periods.
This enhancement cannot be explained by the w eakened photochemistry suggesting a missing source of
PM2.5 , w hich is likely the heterogeneous reaction.
Ursachenforschung zum außergewöhnlichen Smog in Peking
© 2016 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
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Bildungsmechanismen
A bb. 1: Kla re und dunstige W inte rta ge in P e k ing: MO DISSa te llite na nsicht von P e k ing (a ) a n e ine m k la re n Ta g a m 16.
De ze m be r 2015 und (c) wä hre nd e norm e m
Dunsta ufk om m e ns a m 22. De ze m be r 2015. Die Fotos wurde n
(b) a n e ine m k la re n Ta g a m 1. De ze m be r 2015 und (d) a n
e ine m dunstige n Ta g a m 2. De ze m be r 2015 a m C olle ge of
P hysics de r P e k ing-Unive rsitä t in P e k ing, C hina
a ufge nom m e n.
© P e k ing-Unive rsitä t / C . Zha o
In den vergangenen Jahren stellten schw erw iegende und anhaltende Smogperioden, die Peking und die
Nordchinesische Tiefebene im kalten W inter einhüllten, eine gesundheitliche Bedrohung für knapp 400
Millionen Menschen dar. Abbildung 1 zeigt den Unterschied zw ischen einem klaren himmelblauen Tag ((a), (b))
und der eingetrübten Sicht an einem diesigen Tag ((c), (d)) in Peking. Im Januar 2013 erreichte die
Feinstaubkonzentration (PM2.5 , Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 2,5 μm) in Peking eine Rekordhöhe
von knapp 900 μgm-3 , w as zu einer eingeschränkten Sichtw eite von w eniger als hundert Metern führte. Smog
tritt in Peking oft sehr plötzlich auf, mit einem dramatischen Anstieg der PM 2.5 Konzentration auf bis zu 350
μgm-3 innerhalb einer Stunde, die dann mehrere Tage anhalten kann. Am 8. Dezember 2015 rief Peking zum
ersten Mal die Alarmstufe „Rot” aus, als die Luftverschmutzung erneut ein kritisches Maß erreichte. Das
Erreichen der vorher noch nie ausgerufenen Alarmstufe „Rot” verdeutlicht, w ie w ichtig es ist, die SmogBildungsmechanismen in China besser zu charakterisieren.
Basierend auf der Analyse eines typischen Smogereignisses in Peking im W inter 2013 konnten folgende
Punkte untersucht w erden: (1) eine Gegenüberstellung des relativen Einflusses von erhöhten Emissionen im
Vergleich zu ungünstigen meteorologischen Wetterbedingungen; (2) die Ursache für den extremen Anstieg
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von PM2.5 w ährend Smogperioden in Peking, bedingt entw eder durch extrem schnelle lokale chemische
Bildungsmechanismen oder durch regionalen atmosphärischen Transport; (3) der spezielle chemische
Bildungsmechanismus von Aerosolpartikeln bei enorm hohem Feinstaubaufkommen.
Wechselwirkungen zwischen Emissionsanstieg und Wetterbedingungen
Um den jew eiligen Anteil von erhöhten Emissionen im Verhältnis zu ungünstigen Wetterbedingungen zu
bew erten, w urden drei Szenarien konzipiert und Simulationen von PM2.5 mit dem W RF-CMAQ-Modell (Weather
Research and Forecasting - Community Multiscale Air Quality) durchgeführt. Das Basis-Szenario (a) ist darauf
ausgelegt, die tatsächliche Situation zu simulieren, d. h. sow ohl das Emissionsverzeichnis als auch die
aktuellen Wetterbedingungen im Januar 2013 w urden berücksichtigt. In den Szenarien (b) und (c) w urden
entw eder Daten für die Wetterbedingungen oder für das Emissionsverzeichnis aus dem Jahr 2012 verw endet.
Abbildung 2(a) zeigt, dass der Einfluss des Emissionsanstiegs vernachlässigbar ist. Für die gesamte
Simulationsdomäne der Nordchinesischen Tiefebene führt die Anpassung der Emissionsstärke zu ähnlichen
Konzentrationen und räumlicher und zeitlicher Verbreitung von PM 2.5 . Dieses Ergebnis steht im Einklang mit
der sich nur w enig veränderten Emissionssituation im Jahr 2013 im Vergleich zu 2012 (2,1% primäres PM 2.5 ,
1,5% SO 2 und 2,5% NO x ) [1].
A bb. 2: Auswirk unge n von W e tte r- und Em issionsä nde runge n
a uf die Konze ntra tion de r Fe insta ubpa rtik e l (P M 2.5 m it e ine m
Durchm e sse r von we nige r a ls 2,5 μm ; Einhe it: μgm -3). (a )
Em issionsa uswirk ung: Unte rschie de be i m ode llie rte n P M 2.5Konze ntra tione n be i gle iche n W e tte rbe dingunge n und
unte rschie dliche n Em issione n. (b) W e tte ra uswirk ung:
Unte rschie de be i m ode llie rte n P M 2.5-Konze ntra tione n be i
gle iche n Em issione n und unte rschie dliche n
W e tte rbe dingunge n.
© Ma x -P la nck -Institut für C he m ie
2013
führte
der
schw ache
ostasiatische
W intermonsun
zu
abgeschw ächten
Bodenw inden
und
ungew öhnlichen Südw inden [2]. Ein außergew öhnliches Hochdruckgebiet auf Höhe von 500 hPa unterdrückte
vertikale Luftbew egungen (Konvektion). Südw inde transportierten mehr Wasserdampf vom Meer und
erhöhten die relative Luftfeuchtigkeit. Die hohe Luftfeuchtigkeit führte durch eine höhere Wasseraufnahme zu
einer Vergrößerung der Aerosolpartikel. Dies w iederum resultierte in einer w eiteren Trübung und Reduzierung
der Grenzschichthöhe [3–5]. Somit fand im Januar kaum Luftaustausch statt, sodass luftverunreinigende Stoffe
in der bodennahen Luftschicht gefangen gehalten w urden. W ie aus Abbildung 2(b) hervorgeht, führten die
veränderten Wetterbedingungen von 2013 zum Jahr davor zu einem durchschnittlichen Anstieg von PM 2.5 um
10–40 μgm-3 in Peking und 120 μgm-3 in der Nordchinesischen Tiefebene. Der Vergleich zw ischen Abbildung
2(a) und 2(b) zeigt deutlich, dass die heftige Smogperiode im Januar 2013 eher auf die ungünstigen
W etterbedingungen zurückzuführen ist, als auf einen abrupten Anstieg der Emissionen [6].
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Bildungsmechanismen
Geografische Besonderheiten von Peking
Ein
besonderes
Merkmal
des
W intersmogs
in
Peking
ist
der
schnelle
Konzentrationsanstieg
der
Aerosolpartikel. Die Daten vom 12. Januar zeigen solch einen typischen Fall. Innerhalb w eniger Stunden stieg
die PM2.5 -Konzentration auf fast 900 μgm-3 mit einer Änderungsrate von über 300 μgm-3 pro Stunde (Abb. 3).
Die aktuellen Ergebnisse der Forschungsgruppen am Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC) belegen, dass die
Hauptursache für eine solch schnelle Änderung vielmehr im regionalen Luftmassentransport anstatt in der
Veränderung der Atmosphärenchemie zu finden ist.
A bb. 3: Konze ntra tion de r Fe insta ubpa rtik e l in P e k ing und de n
um lie ge nde n Stä dte n für de n Ze itra um vom 10. bis 17.
Ja nua r 2013. Die ge lbe n Scha ttie runge n ze ige n, wa nn die
Fe insta ubk onze ntra tion a brupt a nstie g ode r a bfie l. Im obe re n
Be re ich ist zude m die spe zifische Luftfe uchtigk e it in P e k ing für
die se n Ze itra um a nge ge be n.
Geografisch gesehen liegt Peking zw ischen den sauberen nördlichen Städten (Chengde und Zhangjiakou) und
den verschmutzten Industriegebieten im Süden (Shijiazhuang, Baoding, Tianjin, Langfang und Tangshan).
Mithilfe der Nordw inde gelangt saubere Luft nach Peking, w odurch die Luftverschmutzung verringert w ird. Die
Südw inde bringen jedoch verschmutzte Luft mit sich und erhöhen das Dunstaufkommen. Dadurch bilden die
Konzentrationen der Aerosolpartikel in Peking eine Art Grenzlinie zw ischen den nördlichen und südlichen
Städten. Die Messdaten in Abbildung 3 verdeutlichen dies. Diese geographische Besonderheit w ird durch die
Modellsimulationen gut erfasst, indem der Übergang zw ischen sauberen und verunreinigten Luftmassen immer
zu abrupten Änderungen der Konzentration der Aerosolpartikel führt [6].
Im Hinblick auf den Einfluss der Atmosphärenchemie auf das Phänomen der starken Smogbildung ist zu
beachten, dass nicht nur ein schneller Anstieg, sondern auch eine schneller Rückgang beobachtet w urde.
Letzteres
lässt
sich
nicht
mit
atmosphärenchemischen
Reaktionen
erklären,
w ährend
besondere
atmosphärische Transportbedingungen die Ursache für beide Änderungen – die schnelle Bildung sow ie den
schnellen Rückgang – sein können. Ebenso müssen die gleichzeitige Veränderung von Wasserdampf und
PM2.5 in die Untersuchungen miteinbezogen w erden. Da es keine atmosphärische Reaktion gibt, die den
Wasserdampfhaushalt kurzfristig signifikant verändern kann, ist eine Veränderung des physikalischen
Luftmassentransports die einzige Erklärung für eine Veränderung der Wasserdampfkonzentrationen. W ie
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Bildungsmechanismen
Luftmassentransports die einzige Erklärung für eine Veränderung der Wasserdampfkonzentrationen. W ie
Abbildung 3 zeigt, w ird die schnelle Änderung der Feinstaubpartikelkonzentration von einer entsprechenden
Änderung der Wasserdampfkonzentration begleitet. Die starke Korrelation zw ischen der Veränderung von
Wasserdampf und von PM 2.5 lässt darauf schließen, dass beide demselben Prozess unterliegen: einem
veränderten physikalischen Luftmassentransport.
Auf der Spur eines noch unbekannten Oxidationswegs
In Peking und in der Nordchinesischen Tiefebene sind die meisten Feinstaubpartikel sekundärer Abstammung.
Das heißt, sie w erden durch chemische Reaktionen gasförmiger Vorläuferverbindungen produziert [7].
Sekundäre
Aerosolpartikel
Vorläuferverbindungen
mit
w erden
durch
niedrigerer
Oxidationsprozesse
Oxidationsstufe
produziert,
umgew andelt
w erden
bei
in
denen
gasförmige
Feststoffe
höherer
Oxidationsstufe. Fotochemisch gebildete atmosphärische Hydroxyl-Radikale (OH) und Ozon (O 3 ) w erden
derzeit als Haupt-Oxidantien bei der Aerosolbildung betrachtet. Da es sich um fotochemische Produkte
handelt,
hängt
die
Konzentration
dieser
Oxidantien
von
der
Sonneneinstrahlung
ab.
Bei
starker
Luftverschmutzung verringert die atmosphärische Eintrübung durch die Aerosole die Sonneneinstrahlung und
somit die Häufigkeit fotochemischer Reaktionen. Dies führt zu einem Abfall der Konzentration von HydroxylRadikalen und Ozon. So w urde zum Beispiel w ährend der starken Smogperioden in Peking im Jahr 2013 eine
äußerst niedrige Ozonkonzentration (w eniger als 1 ppb) beobachtet (Abb. 4(a)). Auch die Modellsimulationen
zeigen eine Verringerung der Konzentrationen von Ozon und OH auf regionaler Ebene (Abb. 4(b)). Unter
diesen Bedingungen w ird üblicherw eise von einer verringerten Produktionsrate sekundärer Aerosolpartikel
ausgegangen.
Die
Messungen
der
MPIC-Forscher
ergaben
jedoch
das
Gegenteil.
Anhand
der
Konzentrationsverhältnisse von sekundären Aerosolen zu ihrem Ausgangsstoff als Näherungsw ert für die
Aerosol-Produktionsrate, zeigte sich, dass die Produktionsrate zusammen mit der Partikelkonzentration steigt
(Abb. 4(c), (d)).
A bb. 4: Konze ntra tion de r O x ida ntie n (O zon und O HR a dik a le ) und Nä he rungswe rt de r Ae rosol-Bildungsra te (Sulfa t
und Nitra te ) be i unte rschie dliche n Fe insta ubpa rtik e lnive a us in
P e k ing. (a ) Be oba chte te s O zon (O 3) um die Mitta gsze it, (b)
m ode llie rte Hydrox yl-R a dik a le (O H) um die Mitta gsze it, (c)
be oba chte te s Mola rve rhä ltnis zwische n Sulfa te n (SO 42- ) und
Schwe fe lsä ure (SO 2) und (d) be oba chte te s Mola ritä tsve rhä ltnis
zwische n Nitra te n (NO 3- ) und Distick stoffox id (NO 2). „C ”, „S”,
„P ” und „H” be zie he n sich a uf „cle a n” (sa ube re ; P M 2.5 ≤ 35
μgm -3), „lightly pollute d” (le icht ve rschm utzte ; 35 < P M 2.5 ≤
115 μgm -3), „pollute d” (ve rschm utzte ; 115 < P M 2.5 ≤ 350
μgm -3) und „he a vily pollute d” (sta rk ve rschm utzte ; P M 2.5 >
350 μgm -3) Be dingunge n. In de n Box -W hisk e r-Dia gra m m e n
ste he n die Box e n und W hisk e rs e ntspre che nd für de n 95. und
75. Me dia n und da s 25. und 5. P e rze ntil.
Die höhere Aerosol-Produktionsrate von Feinstaubpartikeln w ährend einer Smogperiode deutet auf einen noch
unbekannten Oxidationsw eg hin. Zudem lässt die Tatsache, dass die Aerosol-Produktionsrate mit der Aerosol-
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Partikelkonzentration ansteigt, auf mögliche heterogene Reaktionen an der Partikeloberfläche als Ursache
schließen. Auch die Modellsimulation untermauert die große Bedeutung heterogener Chemie (zum Beispiel an
Partikeloberflächen) bei der Sulfat- und Nitratproduktion. Die Modellergebnisse stimmen im Hinblick auf Sulfat
und Nitrat w ährend Smogperioden mit realen Messergebnissen deutlich besser überein, w enn bekannte
heterogene Reaktionen (d. h. chemische Reaktionen, bei denen die Reaktanten in verschiedenen Phasen
vorliegen) berücksichtigt w erden. Die relative Abw eichung zw ischen Modellberechnung und den tatsächlichen
Beobachtungen liegt dann bei w eniger als 10 Prozent im Vergleich zu 40–50 Prozent bei Simulationen ohne
Einbeziehung heterogener Reaktionen [8].
Wissenschaftliche Bedeutung und Aussichten
Die Ergebnisse zeigen, w ie komplex die Ursachen für das Auftreten der Luftverschmutzung in Peking sind. Die
heftigen Smogphasen im Januar 2013 sind in erster Linie auf ungünstige meteorologische Bedingungen
zurückzuführen, w ährend die
Zunahme
der Emissionen eine
untergeordnete
Rolle
spielte. Deutliche
Ausw irkungen auf die lokale Luftverschmutzung hat hingegen die regionale Luftzirkulation. In Peking w ird die
Schw ankung
der
Feinstaubkonzentration
w ährend
der
Smogperioden
durch
die
atmosphärischen
Transportprozesse bestimmt. Da augenscheinlich die regionale Luftverschmutzung, beispielsw eise in den
südlichen Industriegebieten, einen großen Einfluss auf das Auftreten von Smog in Peking hat, w ird deutlich,
dass regionale Maßnahmen zur Emissionskontrolle w ichtig sind.
Die aktuellen Untersuchungen verdeutlichen auch, dass die Bildung sekundärer anorganischer Aerosolpartikel
w ährend der Smogperioden nicht durch herkömmliche Fotochemie erklärt w erden kann. Die Untersuchungen
legen nahe, dass heterogene Reaktionen hier möglicherw eise eine Rolle spielen.
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